Gli acciai inossidabili:

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1 XVII corso di Tecnologia per Tecnici Cartari edizione 2009/2010 Gli acciai inossidabili: tipologie, caratteristiche ed impieghi di Ghibellini Michele Scuola Interregionale di tecnologia per tecnici Cartari Istituto Salesiano «San Zeno» - Via Don Minzoni, Verona casanzeno.com - [email protected]

2 INDICE 0.1 Introduzione.. p Gli acciai inossidabili p Breve introduzione p Classificazione e designazione acciai inossidabili p Le principali famiglie di acciai inossidabili p Acciai inox martensitici p Acciai inox ferritici p Acciai inox austenitici p Acciai inox duplex. p Acciai inox indurenti per precipitazione.. p Elementi principali che caratterizzano gli acciai.. p I trattamenti termici. p Le curve.. p La normalizzazione p La ricottura. p La tempra p Il rinvenimento p La solubilizzazione. p La tempra scalare martensitica p La bonifica isotermica. p La distensione. p I trattamenti termici tipici nelle tre classi di acciai inox principali. p Acciai martensitici... p Acciai ferritici.. p Acciai austenitici. p Acciai austeno-ferritici... p Acciai indurenti per precipitazione... p Le proprietà meccaniche.. p Acciai martensitici.. p Acciai ferritici. p Acciai austenitici p Acciai austeno-ferritici... p Acciai indurenti per precipitazione p Strutture ed impieghi p Acciai martensitici.. p Acciai ferritici. p Acciai austenitici p Acciai austeno-ferritici.. p Acciai indurenti per precipitazione p Conclusioni. p. 31 Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 1/31

3 INTRODUZIONE Nel vasto mondo cartario e della cartiera, sicuramente la preparazione impasti rappresenta uno dei punti focali e determinanti, nonché basilari per tutta la filiera e processi che ne conseguono. All interno della preparazione impasti, la raffinazione (ed il raffinatore) può essere ritenuta come una delle fasi principali e per di più quella dove la fibra subisce le maggiori modificazioni dal punto di vista fisico. Si è specificato oltre alla raffinazione anche il macchinario che ne permette l esecuzione, e dunque non si possono non menzionare tutte le componentistiche di quest ultimo tra cui in particolare modo, una delle più influenti su tutto il processo, vale a dire la guarnitura che viene a contatto e lavora l impasto fibroso. Nella scelta corretta di una guarnitura per raffinatore (sia esso conico, a disco, cilindrico) oltre alle determinanti variabili della geometria, lamatura, consumo energetico (e a vuoto in particolar modo), anche il materiale del ricambio assume una valenza di assoluto rilievo. Infatti da esso, molto spesso, dipendono: resistenza all usura, vita utile, funzionamento adeguato del macchinario, rispetto dei parametri di raffinazione impostati, ecc. Dunque risulta essere anche la scelta del materiale una importante valutazione che, non solo gli utilizzatori finali (le cartiere), ma anche i fornitori (produttori di ricambi e raffinatori) devono effettuare e considerare. La categoria che sicuramente oggigiorno risulta essere la più rispondente alle varie richieste del particolare campo della raffinazione è quella degli acciai inossidabili. Figura 1. Alcuni esempi di ricambi nella preparazione impasti con materia prima acciai inossidabili. L elaborato, dunque, verterà dapprima su un analisi di ogni singola tipologia di acciaio inossidabile e successivamente si avrà maggiore focalizzazione per quelli che sono i vari impieghi e caratteristiche dei più comuni ed utilizzati (anche nel mondo cartario). Si passerà dunque dalla classica suddivisione degli acciai inossidabili (martensitici, ferritici ed austenitici), alla descrizione di leghe più recenti e particolari come austenitici al manganese, austeno-ferritici (detti anche Duplex) o induriti per precipitazione (detti anche PH, precipitation hardening). Inoltre ci si soffermerà su quelli che sono i trattamenti termici atti a massimizzare e migliorare le caratteristiche di ogni tipologia di materiale esposto in maniera tale da avere un chiaro quadro di esposizione e di conoscenza delle molteplici variabili che la scelta di un materiale (e del trattamento termico) possono implicare. Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 2/31

4 1. GLI ACCIAI INOSSIDABILI 1.1 Breve introduzione Gli acciai inossidabili sono materiali che appartengono alla grande famiglia delle leghe ferrose e in questo contesto vengono inquadrati. Ghise (C% > 2) Leghe Ferrose Acciai (C% 2) Gli acciai si suddividono, poi, in al carbonio, basso legati ed in alto legati. Gli acciai debolmente legati contengono elementi in lega ciascuno < 5%; gli alto legati contengono in lega almeno un elemento 5%. Nell industria moderna si è constatato che le caratteristiche degli acciai al carbonio non rispondono in modo soddisfacente alle esigenze dei costruttori, e gli stessi acciai legati, qualora impiegati in ambienti aggressivi, non offrono quelle doti di affidabilità e sicurezza richieste per renderli sicuri nel tempo. Per ottenere queste caratteristiche si ricorre da una specifica qualità di acciai: gli acciai al Ni-Cr, detti anche INOX. Gli acciai inossidabili appartengono alla categoria degli alto legati, infatti la loro composizione generale si può riassumere in: Fe + Cr ( 10,5%) + C Gli acciai inossidabili sono delle leghe a base di ferro, cromo e carbonio ed anche di altri elementi quali principalmente nichel, manganese, molibdeno, rame, titanio, ecc. che li rendono particolarmente resistenti ad alcuni tipi di corrosione 1. La resistenza alla corrosione degli acciai è in funzione della composizione chimica (principalmente tenore di cromo), delle temperature e delle caratteristiche aggressive dell ambiente. La caratteristica di buona resistenza alla corrosione è dovuta alla proprietà di queste leghe di passivarsi in ambiente sufficientemente ossidante (per esempio aria), tramite modifica del proprio stato superficiale. Quando è in queste condizioni l acciaio inossidabile è allo stato passivo 2. Gli acciai inossidabili possono essere attivi o passivi a seconda delle condizioni in cui vengono a trovarsi. Nel primo caso saranno soggetti a fenomeni corrosivi, nel secondo caso essi opporranno una valida difesa a questa aggressione 3. Sulla superficie del metallo allo stato passivo si deve quindi supporre la presenza di uno strato, pellicola o film passivo, definibile come ossido che ricopre la superficie ( passività per ricoprimento ), oppure di uno strato, pellicola o film di ossigeno adsorbito (teoria della passività per adsorbimento) 4. 1 La norma EN definisce acciai inossidabili quelle leghe ferrose che contengono cromo in ragione di almeno il 10,5%. 2 Un materiale metallico è passivo quando, pur essendo in grado termodinamicamente di corrodersi, la velocità di corrosione è talmente limitata da rendere di fatto trascurabili gli effetti della corrosione stessa. Ciò avviene, per esempio, al cromo in soluzione acida ossidante. Al contrario, un materiale metallico è attivo se il processo corrosivo è termodinamicamente possibile e avviene con velocità apprezzabile, come succede per esempio al ferro in un ambiente acido. 3 I materiali metallici allo stato attivo mostrano una grande affinità per l ossigeno (anche alluminio, cromo, ferro, nichel, titanio, ecc. possono pervenire ad uno stato passivo passando da una condizione di attività). 4 Lo stato passivo può essere indotto in un materiale metallico tramite un processo spontaneo quando esso si trova in un ambiente sufficientemente ossidante, caso degli acciai inossidabili in ambiente atmosferico. Lo stato passivo può essere anche indotto in un materiale metallico dall azione di ambienti più ossidanti dell ossigeno atmosferico quali, soluzioni Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 3/31

5 La struttura è in funzione del tenore di Cr e Ni. Avremo acciai martensitici sino ad un tenore di Cr = 12%, mentre avremo acciai ferritici per tenori superiori al 12%, per avere acciai austenitici è necessaria la presenza di Ni in un tenore di circa il 7%. Tabella 1. Tipologie di acciai inossidabili ed elementi caratterizzanti. TIPI Elementi caratterizzanti Carbonio (%) Cromo (%) Nichel (%) Austenitici 0,015 0, Ferritici 0,010 0,12 10, Martensitici 0,08 1, Esistono poi altri tipi di acciai inossidabili quali: acciai austenitici al Cr, Mn, Ni (detti anche acciai austenitici al manganese); austeno-ferritici (detti anche Duplex o Bifasici o Dual Phase); indurenti per precipitazione (detti anche PH, Precipitation Hardening). È opportuno ricordare che gli acciai ordinari, non legati, sono leghe ferro-carbonio le cui caratteristiche metallurgiche sono rappresentate nel diagramma di stato Fe/C. Grafico 1. Diagramma di stato Fe/C Per quanto riguarda gli acciai inossidabili si è già visto che essenzialmente entrano in gioco altri elementi tra i quali giocano un ruolo fondamentale il cromo ed il nichel. È necessario considerare altri due diagrammi di stato, quello Fe/Cr e quello Fe/Ni (vedi pagina successiva). Inoltre, per meglio comprendere la suddivisione dei diversi tipi di acciai inossidabili in classi, è opportuno menzionare e richiamare il concetto di tempra. Il diagramma Fe/C è stato costruito lasciando raffreddare la lega ferro-carbonio in un tempo molto lungo, in maniera da rendere stabili le strutture che si vengano a trovare al suo interno 5. Qualora, invece, il raffreddamento avvenisse in modo più veloce, il carbonio, non avendo il tempo necessario di acido nitrico o la protezione anodica, come accade in certi tipi di acciai immersi in soluzioni di acido solforico, dove, senza l azione della corrente imposta, si corroderebbero. 5 In altre parole, si lascia che il carbonio migri per formare la cementite. Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 4/31

6 per migrare dalla cella γ, forma strutture che non compaiono nel diagramma Fe/C, le quali dipendono dalla stessa velocità di raffreddamento. Il trattamento di tempra, perciò, consiste nel riscaldare un acciaio al di sopra del punto critico A 3 6, e nel raffreddarlo repentinamente impedendo la diffusione del carbonio. Gli atomi di carbonio che non possono migrare restano imprigionati nel reticolo del Feα 7 generando una struttura molto dura, ma fragile, la martensite. È evidente, quindi, che per ottenere la formazione di martensite durante un trattamento di tempra, è necessario che la lega presenti una zona del diagramma di stato in cui sia possibile l esistenza stabile di ferro γ o in altri termini l esistenza nel diagramma di stato della lega del punto A 3. Grafico 2.a Diagramma di stato Fe/Cr e 2.b Fe/Ni Il diagramma Fe/Cr, invece, mette in evidenza l azione alfagena o ferritizzante del cromo che restringe il campo di esistenza del ferro γ per favorire il dilatarsi di quello del ferro α 8. Osservando il diagramma si possono notare le seguenti considerazioni: Esiste un campo chiuso del ferro γ fino a circa il 12% di cromo, il che significa che le leghe aventi un tenore in cromo inferiore al 12% nel raffreddamento, partendo dal solido, separano prima ferrite che poi si trasforma in austenite ed infine si ritrasforma nella ferrite finale; Esiste, inoltre, una nuova fase chiamata sigma (σ). Quest ultima, che può essere presente negli acciai inossidabili, specialmente con alti tenori di cromo, può essere originata sia da trasformazioni che avvengono nella ferrite sia da quelle che si verificano nell austenite. La presenza della fase sigma negli acciai inossidabili è da considerarsi deleteria sia per la tenacità che per la resistenza alla corrosione. Nel diagramma Fe/Ni è evidente la netta azione gammagena o austenitizzante del nichel che, al contrario del cromo, allarga il campo di esistenza del ferro γ riducendo quello del ferro α 9. Dal diagramma si nota che con tenori di nichel oltre il 40% la lega diventa magnetica. Dall esame dei due diagrammi si possono trarre alcune informazioni di notevole importanza: 6 Campo di temperature in cui l austenite è stabile. 7 La trasformazione γ α martensite avviene con movimento a scatto degli atomi, allargandone il reticolo, il quale viene distorto ed assume una forma tetragonale. 8 Anche il silicio, il molibdeno, il titanio, il niobio, il tantalio sono elementi alfageni. 9 Anche altri elementi hanno comportamento gammageno: carbonio, manganese, azoto e rame. Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 5/31

7 esiste un campo, per tenori di cromo superiori al 12%, in cui il ferro γ è stabile a temperatura elevata e tale campo si allarga a valori anche superiori al 15% quando sia presente carbonio in ragione dello 0,2%, potremo avere quindi acciai inossidabili che potranno essere temprati e presentare una più elevata durezza; il cromo agisce in modo da favorire l allargamento del campo di esistenza del ferro α, il nichel agisce in modo opposto allargando il campo di esistenza del ferro γ 10 ; il ruolo del carbonio che permette di ottenere leghe con tenore di cromo superiori al 10,5%, quindi inossidabili, induribili con un trattamento di tempra. Dalle considerazioni fatte si capisce come sia possibile distinguere le tre famiglie di acciai inossidabili già citate: gli acciai martensitici sono induribili attraverso trattamento termico (tempra e rinvenimento); gli acciai ferritici hanno struttura ferritica stabile indipendentemente dalla temperatura (trattamento termico di ricristallizzazione); gli acciai austenitici sono a struttura austenitica stabile indipendente dalla temperatura (trattamento termico di tempra di solubilizzazione). 1.2 Classificazione e designazione acciai inossidabili Relativamente alle sigle con cui le leghe inossidabili sono contraddistinti, a tutt oggi ogni nazione produttrice fa utilizzo di una propria designazione: per esempio UNI gli italiani, AISI e UNS (ASTM) gli americani, BSI gli inglesi, AFNOR i francesi, DIN i tedeschi, SS (SIS) gli svedesi, UNE gli spagnoli, GB i cinesi, JIS i giapponesi, GOST i russi. Nel particolare, per quanto riguarda i Paesi europei, durante l ultimo decennio del XX secolo, gli organi normativi comunitari hanno emesso vere e proprie «norme europee» designate con la sigla EN. Tali norme devono essere recepite obbligatoriamente da ciascun Paese membro, il quale deve applicarle designandole con la sigla EN preceduta da quella dell ente nazionale di unificazione. In Italia vengono recepite dall Ente Italiano di Unificazione (UNI) e quindi sono individuate con il prefisso UNI-EN. La norma generale dei prodotti fini d acciaieria inossidabili è la cosiddetta UNI-EN 10088, il cui contenuto è suddiviso in tre parti distinte: 1. UNI-EN contiene l elenco degli acciai inossidabili con composizione chimica e caratteristiche fisiche; 2. UNI-EN specifica le condizioni tecniche di fornitura di lamiere e nastri a caldo e a freddo oltre a fornire ampi riferimenti normativi; 3. UNI-EN contiene gli stessi elementi della seconda parte riferiti però a semilavorati, barre e profilati per impieghi generali. La norma UNI-EN utilizza per la designazione quanto stabilito dalla norma UNI-EN che vale per tutti gli acciai e consta di due parti: 1. Designazione alfanumerica, che fissa le regole per la designazione degli acciai mediante simboli letterali e numerici che esprimono la destinazione di impiego e la composizione chimica principale, in modo tale da fornire un indicazione abbreviata degli acciai stessi. 10 Negli acciai inossidabili, leghe complesse, possono essere presenti diverse soluzioni solide quali la ferrite, l austenite e zone di transizione dove esse coesistano in funzione della composizione. Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 6/31

8 2. Designazione numerica, che fissa le regole di designazione attraverso un sistema numerico costruito in base a numeri di gruppo che rappresenta un codice tipico per ogni acciaio e che indica solamente l appartenenza dell inossidabile a un raggruppamento, senza indicare la composizione chimica. Il codice numerico è così formato: 1.XXYY dove: 1. = numero del materiale (1. = acciaio inossidabile); XX = numero del gruppo di acciaio; YY = numero sequenziale Comunque, la classificazione più conosciuta e utilizzata nel settore degli acciai inossidabili è la AISI (American Iron and Steel Institute). Quest ultima divide gli acciai inossidabili in: acciai austenitici al cromo-manganese-nichel, designati da un numero di tre cifre che inizia con la cifra 2, come a esempio 2xx, dove la seconda coppia di cifre non fa riferimento ad alcuna analisi chimica del materiale, ma serve solo a distinguere un tipo dall altro; acciai austenitici al cromo-nichel, designati sempre con un numero di tre cifre, che comincia con la cifra 3, per esempio 3xx, dove la seconda coppia ha la medesima funzione descritta in precedenza; acciai ferritici e martensitici al solo cromo, designati sempre con un numero a tre cifre che comincia con la cifra 4, per esempio 4xx, dove la seconda ha sempre lo stesso significato dei casi precedenti. Da notare che tra per la gran parte di acciai designati secondo la normativa EN-UNI esiste l esatta corrispondenza con quelli classificati AISI, per alcuni altri c è una corrispondenza approssimata, inoltre ci sono dei tipi di acciaio presenti solo nella classificazione AISI e non in quella EN-UNI e viceversa. Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 7/31

9 2. LE PRINCIPALI FAMIGLIE DI ACCIAI INOSSIDABILI 2.1 Acciai Inox Martensitici X32Cr13 e X40Cr14 Gli acciai inossidabili martensitici sono degli acciai al solo cromo (indicativamente 11-19%) contenenti piccole quantità di altri elementi in lega quali a volte, per esempio, il nichel presente però in quantità non superiori al 2,5%. I tenori di carbonio possono variare ad un minimo di 0,08% fino ad un massimo di 1,20%. Gli acciai inox martensitici sono molto più resistenti alle sollecitazioni meccaniche degli austenitici e dei ferritici, grazie alla presenza della martensite nella struttura, sono però meno resistenti alla corrosione chimica. Acciai appartenenti a questa classe sono: AISI 420 C = 0,35% Cr = 12 % AISI 440 C = 0,80% Cr = 18 % Figura 2. Immagine della microstruttura dell accaio martensitico. Caratteristica fondamentale di questi acciai è l'attitudine a migliorare le loro proprietà meccaniche mediante un trattamento termico di tempra e di rinvenimento ed inoltre variando le temperature si possono conciliare buone caratteristiche meccaniche con una buona resistenza alla corrosione. La saldatura di questi acciai avviene con qualche difficoltà quando il tenore di carbonio è superiore allo 0,15% - 0,20%. In tutti i casi si ottengono buone saldature con opportuni trattamenti termici di preriscaldo e ricottura 11. E' consigliabile, nella saldatura con elettrodi, utilizzare quelli di acciaio inox martensitico. Gli acciai inossidabili martensitici sono particolarmente indicati per applicazioni che richiedono elevata resistenza meccanica, durezza, resistenza all'abrasione insieme ad una sufficiente resistenza alla corrosione. 11 Dopo i trattamenti termici, gli acciai martensitici non trovano impiego né a temperature inferiori agli 0 C né a temperature superiori alla temperatura di rinvenimento in quanto si annullerebbero i vantaggi ottenuti con la bonifica (escluso il tipo AISI 410 che presenta buona resistenza alla corrosione fino a 700 / 800 C). Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 8/31

10 Figura 3. Riepilogo classe martensitica. 2.2 Acciai Inox Ferritici Sono leghe composte da Fe, C e Cr che non posseggono punti critici A1 e A3, di conseguenza non sono suscettibili di tempra. La struttura è quindi ferritica anche se in tale struttura sono presenti dei carburi di cromo precipitati. Questa categoria di acciai non essendo suscettibile di tempra, viene impiegata allo stato ricotto o normalizzato 12. Sono caratterizzati da: buona tenacità; bassa durezza; posseggono inoltre la caratteristica di essere lavorati plasticamente al pari degli acciai al carbonio. Si può tuttavia ottenere un innalzamento del carico di rottura e della durezza mediante opportune lavorazioni a freddo, che determinano un "incrudimento" del materiale 13. Con il termine incrudimento si indica un fenomeno che avviene in tutti i materiali metallici che vengono deformati plasticamente a temperatura ambiente o di poco superiore (inferiore comunque alla temperatura di ricristallizzazione). Le conseguenze di questo fenomeno nei materiali metallici, ed in particolare negli acciai inossidabili, sono un aumento della durezza, del carico unitario al limite di proporzionalità, del carico di rottura e un abbassamento dell allungamento a rottura. Questi acciai possono essere saldati con tutti i metodi per fusione o a resistenza. Le strutture cristalline grossolane che si formano alla temperatura di saldatura tendono a rendere fragili sia il metallo d'apporto, sia le zone di metallo base influenzate dal riscaldo. 12 Si veda avanti, Capitolo 3 Trattamenti Termici. 13 Se la resistenza alla corrosione non riveste particolare importanza sarà opportuno utilizzare bassi tenori di Cr migliorando cosi la saldabilità, la tenacità e la durezza. Si possono avere in lega piccole percentuali di Se, Zr, S e P (per migliorare la lavorabilità all'utensile). Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 9/31

11 Il trattamento di ricristallizzazione dopo saldatura è indispensabile, anche se non riesce ad eliminare completamente l'inconveniente. Figura 4. Riepilogo classe ferritica 2.3 Acciai Inox Austenitici Gli acciai austenitici sono leghe Fe - Cr - Ni - C con tenori di Cr dal 12 al 30% e di Ni dal 7 al 35% e non posseggono i punti di trasformazione A1 e A3. La loro struttura è quindi austenitica in tutto il campo di esistenza e ciò è ottenuto in funzione di opportuni bilanciamenti degli elementi ferritizzanti ed austenitizzanti. Figura 5. Microstruttura dell acciaio austenitico. La loro caratteristica fondamentale è quella di presentare una elevata resistenza alla corrosione accompagnata ad una buona resistenza meccanica, anche alle alte temperature. L elevata duttilità che li caratterizza li rende particolarmente adatti allo stampaggio e alla formatura a freddo. Inoltre mantengono una buona tenacità anche alle bassissime temperature. Sono acciai amagnetici ed hanno una discreta deformabilità e truciolabilità. Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 10/31

12 La loro resistenza alla corrosione è la migliore delle tre famiglie di acciai inox analizzate, in particolare è massima per le leghe che includono anche il molibdeno (AISI 316). Come detto in precedenza questi acciai sono caratterizzati da una struttura austenitica stabile a qualsiasi temperatura e non presentano pertanto alcun aumento di resistenza meccanica dopo trattamento termico. Gli acciai inossidabili austenitici hanno una buona saldabilità, ma occorre ricordare che un raffreddamento lento (nell'intorno di C), provoca la precipitazione dei carburi a bordo grano e formazione di carburi di cromo, facilitando così fenomeni di corrosione intergranulare (la cosiddetta malattia di Krupp, che sarà a breve descritta 14 ). Essi presentano, tuttavia, alcune limitazioni: la massima temperatura cui possono essere trattati è di 925 C; a bassa temperatura la resistenza alla corrosione diminuisce drasticamente; gli acidi rompono il film di ossido e ciò provoca corrosione generica in questi acciai. Esistono due gruppi di acciai inossidabili austenitici, quelli al cromo-nichel e quelli al cromomanganese-nichel. Saranno di seguito trattati solo gli acciai al cromo-nichel, in quanto di gran lunga i più importanti come utilizzo. Questi sono leghe ferro-carbonio-cromo-nichel con eventuali aggiunte di molibdeno, titanio e niobio. Le proprietà di questi inox sono: ottima resistenza alla corrosione, facilità di lavorazione, saldabili, forgiabili. Gli inossidabili al cromo-nichel contengono Cr tra il 17-26% e Ni tra 7-22% con C inferiore del 0,25%. Gli altri elementi in lega consentono di ottenere particolari caratteristiche. Nella classificazione AISI sono indicati come serie 300. Si ricorda che la presenza di cromo necessaria alla passivazione restringe il campo di esistenza dell austenite. Per controbilanciare l azione è necessario introdurre in lega elementi che abbassino la temperatura A3, per esempio il nichel. Figura 6. Riepilogo classe austenitica. 14 Il fenomeno è in parte risolvibile alligando molibdeno, il quale, quella temperatura, è più affine del Cr verso il C dunque si formerebbero carburi di molibdeno anziché di Cr. Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 11/31

13 Negli acciai austenitici si cerca di limitare il tenore di carbonio in quanto al raffreddamento da alte temperature, e se la lega non viene temprata da 1100 C (tempra di soluzione), si avrà facilmente separazione di carbonio dall austenite sottoforma di carburi di cromo ad alto contenuto in cromo. Questa formazione di carburi di cromo riduce notevolmente la resistenza alla corrosione perché sottrae parte del cromo all azione passivante. Inoltre, poiché la precipitazione avviene di preferenza al bordo dei grani austenitici, la loro presenza può innescare la cosiddetta corrosione intercristallina, la quale è una forma di corrosione che si manifesta ai bordi degli stessi grani di una soluzione solida 15. Per ridurre questi inconvenienti sono stati introdotti inossidabili a basso contenuto di carbonio (low-carbon) designati 304L e 316L (C 0,03%). 2.4 GLI ACCIAI INOX AUSTENO-FERRITICI o BIFASICI (DUPLEX) Dopo le tre classi tradizionali degli acciai inossidabili (martensitici, ferritici ed austenitici), ritroviamo quella dell acciaio inox austeno-ferritico, o meglio conosciuta come Duplex. Il termine Duplex deriva, appunto, dal fatto che il materiale ha una microstruttura a due fasi, formata da grani di acciaio inox ferritico e austenitico incorporati nello stesso materiale 16. Questi acciai inossidabili presentano di norma un Cr elevato, sempre superiore al 16%, Ni tendenzialmente basso (5-6%) accompagnato da elementi tipo Mo, Si, Mn, Cu che comportano la caratteristica peculiare di presentare a temperatura ambiente una struttura bifasica costituita da austenite e ferrite in proporzione variabile mediamente intorno al rapporto 50/50%. Da qui anche la definizione di "bifasici" o "austeno-ferritici". Hanno caratteristiche meccaniche a temperatura ambiente più elevate sia degli austenitici che dei ferritici e buona resistenza alla corrosione, migliore dei ferritici e paragonabile, in ambiente acido, a quella degli austenitici. Gli acciai inox duplex, infatti, hanno una robustezza pari a circa il doppio dei normali acciai inox austenitici o ferritici ed una tenacità e duttilità significativamente migliori dei gradi ferritici (anche se non raggiungono i valori degli acciai austenitici). Inoltre posseggono, come detto in precedenza, una gamma di resistenza alla corrosione comparabile alla gamma degli acciai inox austenitici ed una resistenza alla rottura per corrosione sotto tensione molto buona. Infine la saldabilità è nettamente superiore a quella dei ferritici. 15 Un esempio di questa corrosione può essere mostrato attraverso una sensibilizzazione dell acciaio austenitico con un riscaldamento oltre i 500 C, come in un trattamento di saldatura. 16 Con il termine Super-duplex si denota un acciaio duplex ad alte prestazioni basato su un elevato contenuto di cromo, nichel e molibdeno per migliorare la resistenza alla corrosione da vaiolatura, mentre le aggiunte di azoto promuovono l indurimento strutturale, aumentando i valori del carico di snervamento e di robustezza finale senza pregiudicare la tenacità. Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 12/31

14 Figura 7. Tipica microstruttra di un acciaio inossidabile bifasico 2205 L elevato tenore di Cr presente nella composizione chimica, permette agli acciai inossidabili bifasici di avere ottime caratteristiche di resistenza alla corrosione grazie alla possibilità di passivarsi anche in presenza di ambienti particolarmente aggressivi 17. È altresì noto che, proprio grazie alla loro particolare microstruttura, gli acciai inossidabili bifasici evidenziano, sempre a parità di ambiente, una velocità di corrosione generalmente minore rispetto, ad esempio, agli acciai inossidabili austenitici aventi tenori simili di cromo e molibdeno. Figura 8. Microstrutture a confronto, da Ferritica ad Austenitica. + Ni + Ni Struttura Ferritica Struttura Duplex Struttura Austenitica 17 Altro aspetto da considerare è poi il fatto che la resistenza alla corrosione di una lega non è mai una grandezza assoluta correlata univocamente alla composizione chimica dell acciaio, ma è sempre relativa all ambiente in cui l acciaio stesso viene utilizzato. Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 13/31

15 Tabella 2. Riepilogo composizione chimica acciai inox più comuni. 2.5 ACCIAI INOSSIDABILI INDURENTI PER PRECIPITAZIONE Questi tipi di acciai inossidabili sono stati sviluppati su scala industriale all inizio degli anni 50 e presentano la possibilità di elevare le loro caratteristiche meccaniche mediante dei veri e propri trattamenti termici di invecchiamento. Comportamento ben diverso degli acciai inox austenitici tradizionali per i quali questo effetto può essere ottenuto solo incrudendo il materiale per deformazione plastica a freddo. In sintesi, si ottengono caratteristiche meccaniche eccezionali grazie alla formazione di una dispersione di precipitati generati in una fase del trattamento termico. Come risulta evidente dalle composizioni sotto riportate, si realizza un bilanciamento di cromo e nichel per avere matrici con punti critici sopra o sotto la temperatura ordinaria, quindi struttura dopo tempra: austenitica, semiaustenitica oppure martensitica. Segue un invecchiamento a C per formare fasi ricche in Al, Ti, Cu, W, a seconda dei casi 18. Il materiale può essere forgiato o utilizzato per getti e lavorato alla macchina utensile con facilità. Data la sua lavorabilità, in molti casi gli acciai PH possono vantaggiosamente sostituire anche acciai al carbonio basso-legati. Essi vengono normalmente forniti allo stato solubilizzato (Condizione A) pronti per la lavorazione e successivi trattamenti, ma anche in condizione H Registrano, inoltre, una buona saldabilità grazie alla sua particolare composizione chimica. Infatti il rame è presente in una forma che non ne influenza il comportamento e le piccole percentuali di niobio non hanno effetti irrilevanti. 18 Vedasi Paragrafo Trattamenti termici per acciai indurenti per precipitazione. 19 Condizione H1075: Indurito per precipitazione. Lavorabilità pari alla Condizione A. Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 14/31

16 Tabella 3. Composizione chimica acciai PH 2.6 ELEMENTI PRINCIPALI CHE CARATTERIZZANO GLI ACCIAI Di seguito un breve elenco dei principali elementi che caratterizzano gli acciai con le loro peculiarità ed effetti nelle proprietà degli stessi acciai inossidabili. Carbonio (C): a. elemento fortemente austenitizzante; b. aumenta la durata del filo ed eleva il punto di elasticità; c. aumenta la durezza e incrementa la resistenza a fatica all abrasione; d. nei ferritici riduce sia la tenacità che la resistenza a corrosione; e. nei martensitici e martensitico-austenitici aumenta durezza e resistenza meccanica (con riduzione della tenacità). Cromo (Cr): a. principale elemento in lega; b. aumenta la durezza, l elasticità e la tenacità; c. concorre alla resistenza a fatica e alla corrosione. Rame (Cu): a. aumenta la resistenza alla corrosione in alcuni ambienti acidi; b. aumenta la resistenza a fatica. Manganese (Mn): a. aumenta la capacità di elevare la durezza b. a basse temperature stabilizza l austenite, ad alte la ferrite; c. in larghe quantità incrementa la durezza e diminuisce la fragilità. Molibdeno (Mo): a. incrementa la tenacità, capacità a indurire, e resistenza a fatica; b. aumenta la lavorabilità e la resistenza alla corrosione; c. nei martensitici aumenta la durezza alle alte temperature di rinvenimento (effetto sulla precipitazione di carburi). Nickel (Ni): a. aumenta resistenza, durezza, e resistenza alla corrosione; b. utile in ambienti acidi; c. forma precipitati intermetallici indurenti (acciai inox PH). Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 15/31

17 Silicio (Si): a. incrementa la duttilità, l elasticità; b. aumenta la resistenza all ossidazione sia ad alte temperature che a basse temperature in ambienti molto aggressivi. Titanio (Ti): a. negli austenitici aumenta la resistenza a corrosione intergranulare; b. aumenta la resistenza meccanica a caldo; c. nei ferritici aumenta tenacità e resistenza a corrosione; d. nei martensitici abbassa la durezza e aumenta la resistenza a rinvenimento. Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 16/31

18 3. I TRATTAMENTI TERMICI Per conferire alle varie tipologie di acciai inossidabili determinate caratteristiche in vista della loro utilizzazione finale, si ricorre ai cosiddetti trattamenti termici. Si definisce trattamento termico l'operazione, o la successione di operazioni nel caso di un trattamento complesso, durante la quale l'acciaio viene sottoposto ad uno o più cicli termici, cioè a variazioni entro limiti determinati della temperatura in funzione del tempo. Di norma un ciclo termico comporta un riscaldo ad una data temperatura, un mantenimento per un certo tempo a questa temperatura ed infine un raffreddamento fino a temperatura ambiente con modalità diverse in relazione agli effetti desiderati. I vari cicli di trattamento vengono scelti in base alle caratteristiche di durezza, tenacità, microstruttura e lavorabilità desiderate. Il ciclo di trattamento deve essere fissato non solamente in funzione del tipo di acciaio ma anche delle dimensioni dei pezzi, delle caratteristiche del mezzo di riscaldo e di quello di raffreddamento. Prima di passare alla descrizione dei singoli trattamenti termici si deve accennare ai punti critici dell'acciaio, la cui conoscenza è fondamentale per una esatta esecuzione dei diversi cicli. Come punto di trasformazione o punto critico si indica la temperatura alla quale si produce, nel corso del riscaldo e del raffreddamento dell'acciaio, un cambiamento di fase. I punti critici principali sono: AC1 = temperatura alla quale, durante il riscaldo, inizia la formazione di austenite; AC3 = temperatura alla quale, durante il riscaldo, termina la trasformazione della ferrite in austenite; AR3 = temperatura alla quale, durante il raffreddamento, inizia la trasformazione dell'austenite in ferrite; AR1 = temperatura alla quale, durante il raffreddamento, termina la trasformazione dell'austenite in ferrite-cementite; MS = temperatura alla quale, durante il raffreddamento, inizia la trasformazione dell'austenite in martensite; MF = temperatura alla quale, durante il raffreddamento, termina la trasformazione dell'austenite in martensite. Per meglio seguire il comportamento di un determinato acciaio durante i vari cicli di trattamento, soprattutto per quanto riguarda l'effetto della variazione delle velocità di raffreddamento, si faranno riferimento ai diagrammi di trasformazione dell'austenite, comunemente chiamati: a) curve ad S" di Bain o curve TTT (temperatura - tempo - trasformazione) particolarmente indicate per trattamenti isotermici; b) curve CCT (continuous - cooling - transformation) trasformazione al raffreddamento continuo. 3.1 Le Curve Come detto in precedenza, le curve di Bain e le curve CCT sono diagrammi di trasformazione dell austenite ed, essendo differenti per ogni tipo di acciaio, permettono di stabilire quale temperatura, quale tempo e quale velocità di raffreddamento debbono essere scelte per ottenere determinate strutture e quindi determinate caratteristiche. Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 17/31

19 Nella Figura 9. viene schematizzato il diagramma CCT a raffreddamento continuo di un acciaio ipoeutettoide a cui sono state sovrapposte 3 curve, indicate con i numeri 1, 2, 3, che rappresentano tre diverse velocità di raffreddamento 20. Le curve di raffreddamento intersecano il diagramma CCT in punti corrispondenti alla comparsa dei diversi costituenti. La curva n. 1, relativa ad una bassa velocità di raffreddamento, si può riferire ad un ciclo di normalizzazione di un particolare di dimensioni relativamente elevate; la n. 2 in cui la velocità di raffreddamento è notevolmente aumentata, è tipica dei casi di tempra incompleta dove la struttura non risulta totalmente martensitica. Particolarmente interessante è la curva n. 3 che rappresenta il caso in cui, per l'elevata velocità di raffreddamento, la curva non interseca né la zona di trasformazione perlitica, nè quella bainitica; l'austenite rimane stabile fino ad Ms e da questo punto inizia la trasformazione progressiva in martensite che si completa al punto MF. La velocità minima di raffreddamento che dà luogo alla tempra completa (100% di martensite) viene normalmente definita: velocità critica di tempra. Poiché le curve di inizio e di fine trasformazione vengono spostate verso destra per la presenza di elementi leganti, ne consegue che la velocità critica di tempra risulterà meno elevata per gli acciai legati che non per quelli al carbonio. Graico 3. Curve CCT. Figura 10. Curve TTT. La figura 10. presenta un diagramma TTT a trasformazione isotermica schematico nel quale sull'asse verticale sono riportate le temperature e su quello orizzontale i tempi su scala logaritmica. Sono state sovrapposte quattro curve relative ad altrettanti trattamenti isotermici che vedremo in seguito. 20 Precisiamo che nella zona superiore della curva CCT si produce la trasformazione perlitica, nella zona intermedia si produce la trasformazione bainitica, mentre alla temperatura di MS inizia la formazione di martensite. Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 18/31

20 I diagrammi TTT 21 hanno forma ed andamento diversi secondo il tipo di acciaio: tutti però delimitano in modo più o meno netto due zone: una superiore, della trasformazione perlitica ed una inferiore, della trasformazione bainitica. La curva tratteggiata a sinistra indica l'inizio della precipitazione della ferrite; la curva continua a sinistra indica l'inizio della trasformazione perlitica o bainitica, quella a destra la fine della stessa. Nella parte bassa del diagramma sono segnate le linee di Ms e di MF, che indicano rispettivamente le temperature di inizio e fine della trasformazione martensitica. 3.2 La Normalizzazione La normalizzazione consiste in un riscaldo ad una temperatura superiore ad AC3, per un tempo sufficiente ad austenitizzare completamente il materiale, seguito da raffreddamento in aria calma o mossa. Viene generalmente eseguita su pezzi grezzi di lavorazione a caldo per affinare ed uniformare il grano allo scopo di predisporre l'acciaio nel modo migliore per i successivi trattamenti termici. Le strutture e le durezze che si ottengono sono in stretta relazione con il tipo di acciaio e con le dimensioni dei pezzi La Ricottura Lo scopo della ricottura é quello di addolcire l'acciaio per renderlo atto alle lavorazioni meccaniche e/o plastiche, di eliminare le tensioni residue e di distruggere gli effetti di una deformazione plastica, di una saldatura o di un trattamento termico precedente. Esistono vari cicli di ricottura la cui scelta viene fatta in relazione alla durezza ed alle strutture necessarie per un determinato tipo di lavorazione. I cicli più usati sono: Ricottura subcritica; Ricottura isotermica. La ricottura subcritica comprende un riscaldo a temperatura al di sotto del punto di trasformazione AC1, un mantenimento adeguato a questa temperatura ed infine un raffreddamento a piacere anche in aria libera. Questo trattamento, che per la sua economicità é il più diffuso per gli acciai da costruzione, viene eseguito sia per addolcire l'acciaio che per eliminare tensioni residue ed effetti di deformazione plastica 23. La ricottura isotermica, invece, consiste in un riscaldo a temperatura, nell'intervallo AC1 AC3 oppure sopra AC3, seguito da un raffreddamento ad una velocità relativamente elevata fino ad una conveniente temperatura del campo perlitico alla quale si permane per il tempo sufficiente a completare la trasformazione. Dopo ciò, il raffreddamento finale fino a temperatura ambiente, può essere condotto velocemente con notevole guadagno di tempo I diagrammi TTT, che sono ricavati con prove eseguite su piccoli provini e in determinate condizioni operative, esigono qualche accorgimento per la loro utilizzazione nella pratica industriale. Essi danno in generale indicazioni molto precise per quanto riguarda le temperature, mentre per i tempi di trasformazione occorre tener conto dell'effetto di massa dei pezzi e di altre difficoltà, che impongono di adottare tempi molto più lunghi di quelli indicati dai diagrammi. 22 Acciai ipoeutettoidi al C o debolmente legati danno luogo ad una struttura costituita da ferrite e perlite, mentre con l'aumentare dei tenori di elementi leganti si formano strutture miste con costituenti più duri come bainite e martensite. 23 La struttura ottenuta é prevalentemente costituita da forme perlitiche globulari molto fini, non sempre ben risolte. Appartiene a questa classe la cosidetta ricottura di lavorabilità che viene normalmente eseguita ad una temperatura di ca. 50 C al di sotto del punto Ac1 in modo da addolcire il materiale senza modificarne sostanzialmente la struttura. 24 Temperature di trasformazione sopra il cosiddetto gomito della zona perlitica (ciclo di raffreddamento 1) tendono a formare strutture a carburi globulizzati (ricottura isotermica sferoidale), ma esigono tempi piuttosto lunghi. Questo stato Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 19/31

21 3.4 La Tempra Il trattamento di tempra comprende un riscaldo di austenitizzazione, seguito da un raffreddamento fino ad una temperatura inferiore ad Ms sufficientemente rapido da permettere la trasformazione in martensite, struttura di elevato durezza e fragilità. Per poter realizzare una tempra ideale (o completa), cioé con una struttura martensitica al 100%, è necessario che la velocità di raffreddamento sia superiore a quella critica tipica per ogni acciaio. Riferendoci al diagramma di figura 9., sarà perciò necessario che la curva di raffreddamento del pezzo non intersechi la curva CCT di inizio trasformazione tanto nel campo perlitico che in quello bainitico (curva 3). Qualora non si verifichi questa condizione, vale a dire quando la curva di raffreddamento interseca la curva di inizio trasformazione (curva 2) o nella zona perlitica o in quella bainitica od in ambedue, avremo una tempra incompleta 25. Gli acciai al C presentano una velocità critica di tempra molto elevata; questa velocità si riduce per la presenza di elementi leganti in modo più o meno marcato a seconda delle percentuali e della natura di essi. In relazione al tipo di acciaio ed alle dimensioni dei pezzi da temprare verrà scelto il mezzo di spegnimento più adatto: acqua, olio od aria. 3.5 Il Rinvenimento Allo stato temprato l'acciaio presenta una elevata durezza e basse caratteristiche di tenacità. È necessario quindi ricorrere ad un successivo trattamento che ne modifichi più o meno profondamente la struttura martensitica di tempra annullandone le tensioni e la fragilità. Questo trattamento, denominato rinvenimento, comprende un riscaldo ad una temperatura inferiore ad AC1, un mantenimento per un certo tempo a questa temperatura ed infine un raffreddamento in un mezzo appropriato fino a temperatura ambiente. Il rinvenimento deve essere eseguito immediatamente dopo la tempra, per evitare il pericolo di cricche a causa dell'elevato stato tensionale in cui si trovano i pezzi temprati. La temperatura di rinvenimento va scelta in modo da ottenere il miglior compromesso tra le caratteristiche di durezza e di tenacità. È noto infatti che con l'aumentare della temperatura si ha un progressivo incremento della tenacità, dell'allungamento e della contrazione e, corrispondentemente, una diminuzione della durezza, della resistenza a trazione e dello snervamento. L'andamento delle caratteristiche meccaniche é messo in evidenza dalle curve di rinvenimento; dette curve sono riportate in diagramma, per la maggioranza degli acciai. Quando la temperatura di rinvenimento è intorno ai 600 C, il trattamento che ne deriva (tempra e rinvenimento) viene chiamato bonifica e permette di conferire all acciaio un buon compromesso tra tenacità e resistenza. La struttura che ne deriva è detta sorbite. La permanenza alla temperatura di rinvenimento viene stabilita in base alle dimensioni dei pezzi ed al tipo di forno impiegato; essa dovrebbe essere non inferiore alle 2 ore. strutturale è particolarmente favorevole per gli acciai ipoeutettoidi destinati alle operazioni di formatura a freddo; per gli acciai ipereutettoidi viene considerato lo stato ideale ed indispensabile per ogni tipo di lavorazione meccanica. Le trasformazioni in corrispondenza del gomito perlitico (ciclo di raffreddamento 2) avvengono in tempi relativamente brevi e le strutture risultano a perlite lamellare a blocchi più o meno compatti (ricottura isotermica). Questo stato strutturale è particolarmente indicato per ottenere, nel caso di lavorazioni meccaniche particolarmente impegnative, sensibili miglioramenti di lavorabilità all'utensile. 25 La quota di martensite si riduce per lasciar posto a strutture per lo più miste a perlite o bainite. Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 20/31

22 A titolo informativo, si riporta l'effetto sulla resistenza alla trazione mediamente riscontrato sull'acciaio 39NiCrMo3 temprato e rinvenuto a 600 C per tempi variabili da 30 minuti a 10 ore, espresso in incrementi positivi o negativi, ponendo uguale a zero la resistenza ottenuta dopo 2 ore. Tabella 3. Resistenza alla trazione acciaio 39NiCrMo3 temprato e rinvenuto a 600 C. Durata del rinv. 30' 1h 2h 3h 4h 5h 7h 10h Rm-N/mm Questi valori possono essere ritenuti validi, con buona approssimazione, per quasi tutti i tipi di acciai da bonifica. Il raffreddamento finale viene fatto generalmente in aria, ma per gli acciai da bonifica al Mn, Cr, Cr-Mn e Ni-Cr, che risentono del fenomeno della fragilità di rinvenimento, è necessario ricorrere al raffreddamento rapido (acqua od olio). La fragilità di rinvenimento si manifesta con forti cadute dei valori di tenacità negli acciai già citati raffreddando lentamente, dopo rinvenimento, nell'intervallo C. 3.6 La Solubilizzazione Questo trattamento (tempra degli acciai austenitici), chiamato anche "tempra di solubilizzazione" o "ipertempra", ha in comune con la tempra soltanto la velocità di raffreddamento dalla temperatura di austenitizzazione, ma non gli effetti di indurimento che essa provoca negli acciai temprabili 26. Esso consiste in un riscaldo a temperatura in genere compresa fra i 1000 e i 1100 C, con una permanenza a questa temperatura sufficiente per eliminare le alterazioni strutturali provocate dalle lavorazioni precedenti e per realizzare una "solubilizzazione" possibilmente completa dei carburi nell'austenite. Il raffreddamento successivo, in aria o acqua, deve essere sufficientemente rapido da impedire la riprecipitazione dei carburi che, in un raffreddamento lento, avviene in genere nell'intervallo fra i 450 e gli 850 C circa. Con tale trattamento si ottiene il massimo addolcimento degli acciai inossidabili austenitici. 3.7 La Tempra scalare martensitica Questo trattamento ha lo scopo di annullare gli inconvenienti della tempra convenzionale che sviluppa pericolose tensioni interne nel raffreddamento brusco nei bagni di tempra; queste tensioni possono facilmente provocare scarti per cricche e deformazioni soprattutto nei pezzi di forma complessa e con forti variazioni di sezione. Nella tempra scalare martensitica si riscalda alla consueta temperatura di tempra; si raffredda con sufficiente velocità per non incontrare il gomito del campo perlitico né quello del campo bainitico fino ad una temperatura di pochi gradi (circa 10 C) superiore ad Ms e si mantiene il pezzo per il tempo strettamente necessario ad uniformare la temperatura in tutti i suoi punti. Quindi si raffredda in aria calma. Nel caso di pezzi di grosse dimensioni è necessario adottare temperature di spegnimento inferiori ad Ms per facilitare il raffreddamento al nucleo. Si ottiene il tal modo una struttura martensitica quasi del tutto priva di tensioni interne. Per lo spegnimento si usano bagni di sali a basso punto di fusione od anche bagni d'olio ad alto punto di infiammabilità. 26 Si ricorda, infatti, che i punti di trasformazione dei cosiddetti "acciai austenitici" si trovano al di sotto della temperatura ambiente. Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 21/31

23 Alla tempra scalare segue un normale rinvenimento per ottenere le caratteristiche richieste. 3.8 La Bonifica isotermica La bonifica isotermica (austempering) si esegue con riscaldo alla normale temperatura di tempra seguito da un rapido spegnimento in bagno di sali a temperatura sopra Ms di circa fino a completa trasformazione dell'austenite. La struttura ottenuta è la bainite inferiore molto resistente e tenace. La bonifica isotermica consiste in un trattamento unico in quanto il rinvenimento si può di regola tralasciare e presenta il vantaggio di non dar luogo a deformazioni e spaccature tensionali, come può avvenire nella tempra convenzionale. Una seria limitazione di questo trattamento è dovuta alla sua scarsa penetrazione che non va oltre 30 mm per il tipo 39NiCrMo3 ed oltre 40 mm per il tipo 40NiCrMo La Distensione Nel caso degli acciai da cementazione o autotempranti, per diminuire e possibilmente annullare le tensioni residue causate dalla tempra pur mantenendo elevati valori di durezza, si ricorre al trattamento di distensione che consiste in un riscaldo a temperature inferiori ai 250 C. In questo caso non si hanno apprezzabili modifiche strutturali. La distensione viene anche eseguita su pezzi che, dopo le lavorazioni meccaniche, si trovano in uno stato di particolare tensione. In questo caso lo scopo è di ristabilire le caratteristiche meccaniche precedenti, in particolare quelle elastiche (limite di snervamento) e di tenacità I trattamenti termici tipici nelle tre classi di acciai inox principali Acciai martensitici Il trattamento termico di questi acciai è simile a quello degli acciai da bonifica. Dato l'alto tenore di Cr questi acciai hanno le curve di BAIN fortemente spostate verso destra, ne consegue che sono completamente temprabili anche in spessori rilevanti. Essi sono anche soggetti a: Tempra Rinvenimento Ricottura Distensione TEMPRA Data la scarsa conducibilità termica degli acciai inox il riscaldamento deve essere molto lento. E' consigliabile in questo caso operare un riscaldamento in due tempi: - lento riscaldamento fino ad una temperatura di qualche centinaia di gradi inferiore alla temperatura di austenitizzazione, mantenendo l'acciaio a tale temperatura sino al raggiungimento dell equilibrio termico; - raggiunto l'equilibrio si riscalda rapidamente fino alla temperatura di tempra. Operando in questo modo si evitano rotture per shock termico dovute a rapidi riscaldamenti e ingrossamenti del grano causati da una troppo prolungata permanenza dell'acciaio ad elevate temperature. Come detto in precedenza, le curve di Bain sono molto spostate verso destra per l effetto dell alto contenuto degli elementi in lega. È quindi possibile e conveniente effettuare la tempra in olio oppure in aria anziché in acqua; operando in olio si ottengono durezze maggiori. Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 22/31

24 RICOTTURA Scopo di questo trattamento è quello di portare il materiale ad uno stato di maggior addolcimento, necessario se il pezzo deve essere sottoposto alla lavorazione all'utensile. Una ricottura che abbia lo scopo di migliorare la lavorabilità dell acciaio può essere fatta a temperature relativamente basse, inferiori ai punti critici. RINVENIMENTO Particolare importanza rivestono i trattamenti di rinvenimento, con i quali si ottengono strutture (costituite appunto da martensite rinvenuta) che presentano una combinazione equilibrata di valori di resistenza meccanica e di resistenza alla corrosione. Infatti, il rinvenimento permette di ottenere le migliori caratteristiche meccaniche e la maggior resistenza alla corrosione fino a temperature di circa 400 C, e caratteristiche meccaniche fino a 600 C. È da notare come la sequenza tempra più rinvenimento costituisca in pratica un trattamento di bonifica del materiale. DISTENSIONE Lo scopo principale del trattamento di distensione è quello di eliminare le tensioni residue ed aumentare la stabilità meccanica (generalmente effettuata a temperature di 150/400 C). Per gli acciai ad elevato tenore di carbonio la distensione spesso sostituisce il rinvenimento. Se l'acciaio è stato temprato dalle alte temperature si esegue il rinvenimento, se invece l'acciaio è stato temprato dalle basse temperature si esegue una distensione. Tabella 4. Temperature caratteristiche di acciai inossidabili martensitici. Sigla Ricottura Lavorabilità Normalizzazione Tempra Rinvenimento Distensione AISI C h C C C C C A Acciai ferritici Non essendoci punti critici l'unico trattamento possibile è una ricottura di cristallizzazione eseguita a circa 650 / 830 C per una durata di 1 o 2 ore. Essendo questi acciai soggetti a fragilità di rinvenimento bisogna evitare lenti raffreddamenti a temperature di circa 400 / 600 C. Talvolta è sufficiente il solo trattamento termico per rigenerare la struttura, ma è necessaria una lavorazione plastica a temperature relativamente basse (circa 700 C) per rompere il grano e omogeneizzare la struttura Acciai austenitici Questa categoria di acciaio è soggetta ai seguenti trattamenti termici: Solubilizzazione Stabilizzazione Distensione SOLUBILIZZAZIONE 27 È consigliabile effettuare anche una normalizzazione per portare in soluzione gli eventuali carburi che potrebbero causare fragilità intercristallina. Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 23/31

25 Essa, come visto in precedenza, consiste in un riscaldamento sufficientemente spinto (sino a temperature superiori ai 1000 C) in modo da raggiungere, oltre all'equilibrio chimico, l'equilibrio strutturale. L acciaio viene mantenuto a tale temperatura per un tempo sufficientemente lungo in modo da portare in soluzione la maggiore quantità possibile di carburi. Un raffreddamento sufficientemente veloce permette di ottenere alla temperatura ambiente solo austenite. I fattori che influiscono su questo trattamento sono tre, e precisamente: temperatura tempo velocità di raffreddamento Bisogna agire su questi tre punti in modo da portare in soluzione la maggior quantità possibile di carburi senza ingrossare eccessivamente il grano, in quanto la corrosione intergranulare aumenta con l'aumentare delle dimensioni del grano. STABILIZZAZIONE La stabilizzazione consiste in un riscaldamento a temperatura di circa 900 C, mantenimento a temperatura per circa due ore e successivo raffreddamento in aria. Scopo di questo trattamento termico è quello di aumentare la resistenza alla corrosione. DISTENSIONE La distensione consiste in un riscaldamento a temperature di circa 350 /430 C, mantenimento a tale temperatura per circa 30 minuti e quindi raffreddamento in aria. Lo scopo è di ridurre la corrosione sotto tensione Acciai austeno-ferritici Poiché questi acciai hanno una struttura mista austenitica e ferritica, non possiedono punti di trasformazione che consentano di applicare trattamenti termici d indurimento. L unico trattamento termico applicabile consiste, per alcuni acciai austeno-ferritici di comune impiego, in una solubilizzazione ottenuta raffreddando in aria o in acqua ad una temperatura dell ordine di C Acciai indurenti per precipitazione I trattamenti termici degli acciai inox PH differiscono in modo abbastanza sostanziale dai trattamenti degli altri inox. Sebbene a seconda dei diversi tipi, martensitici, semiaustenitici ed austenitici vi siano delle differenze nei metodi seguiti, generalmente l indurimento per precipitazione viene ottenuto mediante due fasi di trattamento termico che possono essere sintetizzate in: solubilizzazione (o ricottura) con raffreddamento molto rapido e riscaldamento controllato (o invecchiamento). SOLUBILIZZAZIONE La prima fase consiste nel riscaldare il materiale per portare in soluzione gli elementi indurenti (alluminio, azoto, molibdeno, niobio, titanio, rame, ecc.) o i loro composti che normalmente non risultano solubili a temperatura ambiente. Segue un raffreddamento della lega in modo sufficientemente rapido per mantenere in soluzione, anche a temperatura ambiente, gli elementi o i composti disciolti a temperatura elevata. Solitamente il raffreddamento in olio o in acqua è sufficiente a garantire tale fenomeno. A volte sono necessari raffreddamenti più drastici fino a temperature di diverse decine di gradi sotto lo zero. Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 24/31

26 INVECCHIAMENTO La seconda fase, quella dell invecchiamento vero e proprio, consiste in un nuovo riscaldo per tempi relativamente brevi (un ora circa) a temperatura relativamente bassa. Quest ultimo trattamento dà luogo ad una precipitazione sub-microscopica ed uniforme degli elementi o dei loro composti precedentemente portati in soluzione. Questi precipitati distribuendosi come aghi tra grano e grano, bloccano la struttura della lega limitando lo scorrimento dei piani e conferiscono così al materiale un aumento delle proprietà meccaniche. Gli acciai del tipo martensitico diventano martensitici dopo un trattamento di solubilizzazione a circa 1040 C e successivo raffreddamento in aria oppure in olio o in acqua. I trattamenti di invecchiamento sono funzione delle caratteristiche desiderate; nel caso di elevatissime durezze si richiedono temperature intorno ai 500 C. Nella struttura martensitica precipitano in seguito al trattamento di invecchiamento delle fasi insolubili generate dagli indurenti (ad esempio titanio ed alluminio per l AISI 635 e rame per l AISI 630). Il trattamento di invecchiamento fa precipitare queste fasi producendo l innalzamento delle caratteristiche meccaniche e mantiene la struttura martensitica. Gli acciai semi-austenitici si differenziano da quelli martensitici perché allo stato solubilizzato (riscaldamento a 1050 C e raffreddamento rapido a temperatura ambiente) sono a struttura completamente austenitica. La formazione della martensite e le precipitazione delle fasi indurenti avvengono con due ordini di processo. I tipi austenitici rimangono tali in qualsiasi condizione di trattamento. Normalmente sono lavorati dopo un trattamento di solubilizzazione a 1100 C circa. Durante il raffreddamento i componenti delle fasi indurenti rimangono disciolti nella matrice austenitica in condizione metastabile. Il successivo invecchiamento, eseguito a temperature sempre superiori a quelle relative ai tipi martensitici e semi-austenitici, si aggira attorno ai 700 C e provoca la precipitazione di queste fasi portando al miglioramento delle caratteristiche meccaniche. Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 25/31

27 4. PROPRIETÁ MECCANICHE La scelta nell utilizzo di una tipologia di acciaio inossidabile adatta deve per forza misurarsi con le singole proprietà meccaniche della classe (e con la resistenza alla corrosione, che si vedrà più avanti). Infatti, come intuibile e noto, ogni acciaio inossidabile ha delle peculiari caratteristiche che lo possono da un lato favorire o meno nell impiego a cui il pezzo sarà poi destinato. 4.1 Acciai martensitici Le proprietà meccaniche di un acciaio martensitico variano ampiamente a seconda del trattamento termico adottato. Nel caso di applicazioni a temperature inferiori alla temperatura ambiente è nota la tendenza degli acciai a presentare: a) aumenti di durezza e resistenza meccanica; b) transizione di comportamento da tenace a fragile, evidenziata da un netto calo della resistenza agli urti (resilienza); c) duttilità relativamente bassa. 4.2 Acciai ferritici La caratteristica fondamentale degli acciai ferritici è quella di accompagnare una buona resistenza a corrosione ad una buona resistenza meccanica a freddo. La resistenza alla corrosione può essere considerata intermedia tra le tre famiglie principali di acciai inossidabili. Essi mostrano un basso carico di snervamento, ma una buona duttilità che è assicurata da bassi tenori di C e N. La resistenza aumenta con il tenore di C. 4.3 Acciai austenitici Questa categoria di acciai a temperatura ambiente presenta le seguenti caratteristiche meccaniche: carico di snervamento particolarmente basso duttilità ottima tenacità ottima La loro resistenza meccanica può essere aumentata con aggiunte di azoto o mediante lavorazioni di deformazione a freddo (laminazione, trafilatura, stampaggio, estrusione etc.) che "incrudiscono" il materiale facendone aumentare la durezza, inducendo anche un più o meno accentuato magnetismo. 4.4 Acciai austeno-ferritici Le caratteristiche meccaniche dipendono dalla proporzione di austenite e ferrite contenuta, proporzione che dipende dalla composizione analitica e che può essere influenzata dalla temperatura utilizzata per il trattamento termico, l aumento della quale produce un aumento del contenuto di ferrite. Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 26/31

28 Essi mostrano un elevato carico di snervamento, che aumenta con il tenore di C e N e mostrano pure una più che buona duttilità. Gli acciai martensitici e ferritico-martensitici mostrano una elevata resistenza, influenzati dal trattamento termico. Mentre i ferritico-martensitici mostrano una elevata resistenza allo stato temprato (con rinvenimento) ed una buona duttilità. Essi anche in sezioni spesse risultano ben temprabili, assicurando, perciò, caratteristiche meccaniche elevate. 4.5 Acciai indurenti per precipitazione Gli acciai inossidabili induriti per precipitazione hanno generalmente una buona resistenza alla corrosione, paragonabile a quella del tipo 304 nella maggior parte degli ambienti corrosivi. Il basso contenuto di carbonio riduce la durezza del materiale che raffredda rapidamente e minimizza il rischio di cricche del giunto e della zona termicamente alterata. La durezza limitata, infine, elimina la necessità di preriscaldo nella maggior parte dei casi. Pur non essendo facilmente soggetti a criccare, gli acciai PH non posseggono una duttilità e tenacità elevata come gli acciai austenitici al Cr-Ni. Altre caratteristiche sono l elevata resistenza alla propagazione delle cricche, le buone proprietà meccaniche trasversali e la resistenza a tenso-corrosione in ambiente marino. L utile combinazione di elevata resistenza e durezza, buona resistenza alla corrosione e facilità ai trattamenti termici rende questo acciaio un materiale importante per progettisti ed ingegneri. Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 27/31

29 5. STRUTTURE ED IMPIEGHI 5.1 Acciai martensitici In funzione della quantità di carbonio e di cromo in lega si possono ottenere mediante riscaldamento a temperatura superiore alla temperatura di austenizzazione delle strutture completamente austenitiche o delle strutture austenitiche più carburi. Conseguentemente questi acciai a tempra avvenuta presenteranno strutture formate rispettivamente da martensite oppure da martensite più carburi. Si può così spiegare le composizioni molto diverse presentate da differenti tipi di acciai inox martensitici 28. Le migliori condizioni di resistenza alla corrosione di questi acciai sono quelle corrispondenti allo stato di tempra e distensione attorno ai C circa; la struttura è costituita da martensite più o meno rinvenuta e da carburi di cromo. Le caratteristiche meccaniche generali sono tipiche degli acciai bonificati, con valori di carico di rottura prossimi a 1000 MPa. Gli acciai AISI 420 sono quelli maggiormente adatti ad applicazioni che prevedono condizioni più severe di esercizio (come nel caso cartario) per le quali gli AISI 403 e 410 non sarebbero in grado di resistere convenientemente. L AISI 420 (con medi contenuti di carbonio) viene suddiviso nell unificazione europea nei tre tipi X20Cr13, X30Cr13, X39Cr13, a seconda dei diversi contenuti di carbonio. Essi hanno la possibilità di pervenire, dopo adeguato trattamento termico, a valori di durezza abbastanza elevati, unitamente a buone caratteristiche di tenacità. Gli impieghi più comuni di questi acciai riguardano il settore delle lame dei coltelli, degli strumenti chirurgici, degli alberi per pompe e per valvole, di attrezzi manuali come cacciaviti e anche nell ambito della preparazione impasti in cartiera. Altra categoria utilizzata in quest ultimo campo è quella degli AISI 431 (che contengono una certa quantità di Ni oltre a maggiori quantità di Cr). Essi possono essere considerati come i migliori per quanto riguarda la resistenza alla corrosione nel campo dei martensitici, assieme agli AISI 414, e presentano un elevata resistenza meccanica e durezza. Li troviamo utilizzati per: alberi portaelica, molle, coclee, viti, giranti per le centrifughe. Gli acciai AISI 440 A, 440 B, 440 C, sono i martensitici con i più elevati tenori di cromo (18%) ed elevate percentuali di carbonio (fino all 1,20%). Ciò significa la presenza in essi di strutture di martensite più carburi che comportano un aumento di durezza e di resistenza all usura. Gli impieghi sono quindi legati a queste proprietà: strumenti chirurgici e odontoiatrici, coltelleria speciale, cuscinetti a sfere, ecc. Da quanto esposto sugli utilizzi appare evidente che gli acciai martensitici sono particolarmente indicati per applicazioni che richiedono elevata resistenza meccanica e all usura, insieme ad una moderata resistenza alla corrosione. 5.2 Acciai ferritici Gli acciai inox ferritici maggiormente usati sono: AISI 430, AISI 434, AISI 442 ed AISI 446. L AISI 430 è il più diffuso e maggiormente impiegato. È facilmente lavorabile a freddo e presenta un incrudimento inferiore a quello degli acciai austenitici Ad esempio: X20Cr13 (C = 0,16-0,25% e Cr = 12-14%); AISI 440C (C = 0,95-1,20% e Cr = 16-18%). I due tipi di acciaio, dopo trattamento termico di tempra presentano durezze molto diverse tra loro. Nel primo caso dopo tempra la struttura è essenzialmente martensitica, nel secondo caso, invece, la struttura è mista: martensite più carburi. Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 28/31

30 Presenta una buona resistenza alla corrosione sia a temperatura ambiente sia a temperature più elevate. Viene utilizzato nell industria automobilistica, in quella chimica e nella produzione di elettrodomestici. L AISI 434 ha una composizione analoga a quella del 430 con aggiunta di molibdeno che gli conferisce una migliore resistenza alla corrosione atmosferica anche salina e da cloruri. È impiegato nella costruzione di particolari automobilistici. L AISI 442 è l acciaio ferritico che resiste bene all ossidazione a caldo, in quanto contiene un elevato contenuto di cromo. Viene usato per la costruzione di parti di forno e di camere di combustione. Infine, l AISI 446 è il ferritico che contiene il maggior tenore di cromo, perciò può resistere alla corrosione a caldo fino a 1200 C. Alle alte temperature diminuisce però la resistenza meccanica. Le sue applicazioni riguardano stampi per vetro, recuperatori di calore, parti di forni. 5.3 Acciai austenitici Gli impieghi di questi acciai sono molto vasti. Si passa infatti da pentole e servizi domestici a lattine per bibite e prodotti alimentari, da serbatoi per gas liquefatti a scambiatori di calore, ecc. La loro resistenza a gran parte degli aggressivi chimici li rende molto apprezzati nell industria chimica e anche nella specifica applicazione dell industria cartaria e preparazione impasti. Tra le classi più consciute, sicuramente l AISI 304 e 316 sono quelli più utilizzati (anche nella forma low-carbon AISI 304L e AISI 316L). In particolare l AISI 304 (assieme a AISI 301, 302, 305, 308, 384) si differenzia per le diverse quantità di nichel presenti in lega. All aumentare del contenuto in nichel diminuisce l incrudimento durante le lavorazioni per deformazione plastica. Presentano caratteristiche meccaniche modeste a temperatura ambiente e ottime a basse temperature, in particolare la resilienza. Gli acciai AISI 316 e 317 contengono in lega del molibdeno che conferisce loro la capacità di resistere alla corrosione in ambienti contenenti cloruri. 5.4 Acciai austeno-ferritici Negli ultimi dieci/quindici anni si è assistito ad un progressivo incremento dell impiego degli acciai inossidabili bifasici per la realizzazione di numerosi componenti meccanici. L impiego di questi acciai è principalmente da associare alle elevate caratteristiche meccaniche (snervamento circa doppio degli austenitici) ed al miglior comportamento nei confronti della corrosione. I campi di utilizzo di questa classe di acciai si sono progressivamente ampliati anche grazie all incessante attività di ricerca, volta sia all ottimizzazione della composizione chimica e dei trattamenti termici sia alla messa a punto dei procedimenti di saldatura. Tra le molte applicazioni citiamo: impianti chimici; impianti per l industria cartaria; impianti per l industria alimentare; tubazioni e valvolame per il trasporto di fluidi o gas industriali; scambiatori di calore; serbatoi di stoccaggio; elementi architettonici ed applicazioni nell edilizia. 29 Anche per gli acciai austenitici l incrudimento è il solo mezzo pratico per ottenere un aumento delle caratteristiche resistenziali. Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 29/31

31 5.5 Acciai indurenti per precipitazione Questa categoria di acciai offre un alternativa agli acciai inossidabili austenitici qualora si desiderino associare, come nel caso dell industria aeronautica, spaziale e motonautica, elevate caratteristiche di resistenza alla corrosione a caratteristiche meccaniche di ottimo livello, a buone caratteristiche di lavorabilità. Anche nel mondo cartario stanno sempre più avendo successo ed impiego. Gli acciai inossidabili PH più conosciuti sono i seguenti: AISI 630: struttura martensitica con caratteristiche di corrosione simili al AISI 304. Il rame è utilizzato come agente indurente. AISI 631: struttura duplex con trattamento termico. Mostra una buona resistenza alla corrosione. AISI 632: simile al 630, ma con aggiunta di Mo che migliora la resistenza alla vaiolatura. AISI 633: struttura duplex con maggiori contenuti alliganti rispetto agli altri PH, che favoriscono una maggiore resistenza. AISI 634: struttura semi-austenitica con aggiunta di Mo per maggiore resistenza vaiolatura. Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 30/31

32 6. Conclusioni A conclusione dell esposizione fatta, sui tipi di acciai inossidabili maggiormente impiegati, su trattamenti termici, impieghi e strutture, si ritiene opportuno puntualizzare e sintetizzare quanto segue: gli acciai inossidabili, per offrire una buona resistenza alla corrosione, devono contenere almeno il 12% di Cr, anche se la norma UNI-EN fissa un contenuto minimo di Cr del 10,5%; la struttura austenitica si può formare solo in presenza di adeguate percentuali di Ni. Per questo motivo il tipico acciaio austenitico (AISI 304) contiene il 18% di Cr e 8% di Ni; nei ferritici il nichel è generalmente assente. L acciaio tipico (AISI 430) contiene il 17% di Cr e basse percentuali di C (0,1% max.); i martensitici, gli unici bonificabili, non possono contenere troppo cromo. L acciaio tipico (AISI 420) ha il 13% di Cr e lo 0,1-0,3% di C. Sempre più gli acciai inossidabili (di qualsiasi tipologia) si stanno affermando nel mondo della cartiera ed un loro studio e maggiore approfondimento sarà determinante per comprenderne ancor meglio le possibilità e ulteriori capacità di impiego. Ghibellini Michele GLI ACCIAI INOSSIDABILI: tipologie, caratteristiche ed impieghi - 31/31